6.8: Biotecnología

Por favor, pase las papas

Es posible que desee pasar las plantas de papa que se muestran a la derecha en la Figura\(\PageIndex{1}\). Están infectados con un virus, que los está matando rápidamente. Las plantas de papa de la izquierda son sanas y productivas. ¿Por qué no están infectados con el mismo virus? Las plantas de la izquierda han sido manipuladas genéticamente, utilizando métodos de biotecnología, para hacerlas resistentes al virus.

Figura\(\PageIndex{1}\): Patatas transgénicas

¿Qué es la Biotecnología?

La biotecnología es el uso de la tecnología para cambiar la composición genética de los seres vivos con fines humanos. Generalmente, el objetivo de la biotecnología es modificar los organismos para que sean más útiles para los humanos. Por ejemplo, la biotecnología puede usarse para crear cultivos que produzcan más alimentos o resistan plagas de insectos o virus, como las papas resistentes a virus que se muestran arriba. También se están realizando investigaciones para utilizar la biotecnología para curar los trastornos genéticos humanos con terapia génica.

Métodos Biotecnológicos

La biotecnología utiliza una variedad de técnicas para lograr sus objetivos. Dos técnicas de uso común son la clonación de genes y la reacción en cadena de la polimerasa.

Clonación de genes

Figura\(\PageIndex{2}\): La imagen ilustra las etapas de clonación génica. Primero, el ADN de interés se inserta en un plásmido y luego el plásmido recombinante se inserta en bacterias. Las bacterias transformadas con éxito son seleccionadas y cultivadas para producir la proteína de interés.

La clonación génica es el proceso de aislar y hacer copias de un gen. Esto es útil para muchos propósitos. Por ejemplo, la clonación génica podría usarse para aislar y hacer copias de un gen normal para terapia génica. Esto se hace poniendo el gen en un plásmido bacteriano. El ADN plasmídico es ADN circular que no forma parte de un cromosoma y puede replicarse de forma independiente. La clonación de genes implica cuatro etapas: aislamiento, ligación, transformación y selección. Refiérase a la Figura\(\PageIndex{2}\) como lee a continuación:

1. En la etapa de aislamiento, se usa una enzima de restricción para romper el ADN en una secuencia de bases específica. Esto se hace para aislar un gen en el ADN extraño. Las enzimas de restricción se aíslan principalmente de bacterias y solo cortan ADN en una secuencia específica en el ADN. Ese sitio en particular se llama el sitio de restricción de esa enzima en particular. El ADN extraño y el plásmido se cortan con la misma enzima de restricción. La enzima de restricción crea “extremos de barra” que son tramos cortos de ADN monocatenario en el sitio de corte.
2. Durante la ligadura, el extremo pegajoso del plásmido de ADN se une al extremo pegajoso del gen aislado. La enzima ADN Ligasa pega los fragmentos hibridados. El ADN que resulta se denomina ADN recombinante.
3. En la transformación, el ADN recombinante se inserta en una célula viva, generalmente una célula bacteriana. Cambiar un organismo de esta manera se llama ingeniería genética.
4. La selección implica cultivar bacterias transformadas para asegurarse de que tengan el ADN recombinante. Este es un paso necesario porque la transformación no siempre es exitosa. Solo se seleccionan las bacterias que contienen el ADN recombinante para su uso posterior. Se utilizan muchos métodos diferentes para la selección, tales como lacZ y genes de resistencia a antibióticos.

Reacción en cadena de polimerasa

La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) realiza muchas copias de un gen u otro segmento de ADN. Esto podría hacerse con el fin de hacer grandes cantidades de un gen para pruebas genéticas. La PCR implica tres etapas: desnaturalización, reasociación y extensión. Los tres pasos se ilustran en la Figura\(\PageIndex{3}\). Se repiten muchas veces en un ciclo para hacer grandes cantidades del gen.

1. La desnaturalización implica calentar el ADN para romper los enlaces que mantienen juntas las dos cadenas de ADN. Esto produce dos cadenas simples de ADN.
2. El recocido implica enfriar las cadenas individuales de ADN y mezclarlas con segmentos cortos de ADN llamados cebadores. Los cebadores tienen secuencias de bases que son complementarias a segmentos de las cadenas individuales de ADN. Como resultado, se forman enlaces entre las hebras de ADN y los cebadores.
3. La extensión ocurre cuando una enzima (Taq polimerasa o Taq ADN polimerasa) agrega nucleótidos a los cebadores. Esto produce nuevas moléculas de ADN, incorporando cada una de las cadenas de ADN originales.

Figura\(\PageIndex{3}\): La reacción en cadena de la polimerasa. Los componentes de la PCR, tales como ADN molde, cebadores, nucleótidos y polimerasa, se ensamblan en un tubo. El tubo se inserta en una máquina que controla y altera la temperatura del tubo durante la PCR. La reacción en cadena de la polimerasa implica tres etapas. En el primer paso, la temperatura se incrementa a 94 a 96ºC para desnaturalizar la plantilla. En la segunda etapa, la temperatura se baja a aproximadamente 68ºC por lo que los cebadores pueden aparearse en su ubicación del complemento en los moldes monocatenarios. Los cebadores flanquean la región diana en el molde. En la tercera etapa, la temperatura se incrementa a aproximadamente 72ºC, por lo que la polimerasa Taq puede extender la hebra desde el cebador para crear nuevos fragmentos de ADN. La enzima Taq polimerasa se utiliza en PCR porque puede soportar altas temperaturas. Estos tres pasos se repiten varias veces para crear copias exponenciales del fragmento de ADN diana.

Electroforesis en Gel

La electroforesis en gel es una técnica analítica utilizada para separar fragmentos de ADN por tamaño y debido a la carga negativa en el ADN. Observe en Figura\(\PageIndex{4}\) que los “geles” son de forma rectangular. Los geles están hechos de un material similar a la gelatina de agarosa o poliacrilamida. Un campo eléctrico, con una carga positiva aplicada en un extremo del gel, y una carga negativa en el otro extremo, obliga a los fragmentos a migrar a través del gel. Las moléculas de ADN migran de cargas negativas a positivas debido a la carga negativa neta de los grupos fosfato en la cadena principal del ADN. Las moléculas más largas migran más lentamente por la matriz de gel. Una vez completada la separación, se pueden visualizar fragmentos de ADN de diferentes longitudes utilizando un colorante fluorescente específico para el ADN, como el bromuro de etidio. El gel teñido resultante muestra bandas que corresponden a moléculas de ADN de diferentes longitudes, que también corresponden a diferentes pesos moleculares. El tamaño de la banda generalmente se determina por comparación con escaleras de ADN que contienen fragmentos de ADN de longitud conocida. La electroforesis en gel también se puede usar para separar moléculas de ARN y proteínas.

Figura\(\PageIndex{4}\): Este es un diagrama que ilustra el proceso de electroforesis en gel de huellas dactilares de ADN. La toma de huellas de ADN y es muy útil en la investigación de delitos ya que cada individuo tiene diferentes patrones de ADN en la imagen que ves 6 pasos. (1.) El ADN se puede extraer de cualquier muestra de líquido corporal (es decir, sangre, semen o saliva). El ADN se mezcla con enzimas de restricción y se amplifica con PCR. (2 y 3.) La mezcla de fragmento de ADN más enzima de restricción se agrega a los pocillos del gel de agarosa, lo que conduce a un cambio físico en lugar de uno químico. (4.) Se aplica una corriente eléctrica al gel desde una fuente de energía. (5.) El ADN cargado negativamente se mueve hacia el lado positivo. Los fragmentos más grandes se mueven más lentamente y se localizan cerca de la parte superior mientras que los fragmentos más pequeños se mueven más rápido y están cerca de la parte inferior. Las bandas se tiñen pero diferentes tonos indican la cantidad de ADN que contiene cada banda

Usos de la Biotecnología

Los métodos de biotecnología pueden ser utilizados para muchos propósitos prácticos. Se utilizan ampliamente tanto en medicina como en agricultura.

Aplicaciones en Medicina

Además de la terapia génica para trastornos genéticos, la biotecnología puede ser utilizada para transformar bacterias de manera que sean capaces de producir proteínas humanas. Las proteínas elaboradas por bacterias se inyectan en personas que no pueden producirlas debido a mutaciones.

La insulina fue la primera proteína humana que se produjo de esta manera. La insulina ayuda a las células a tomar la glucosa de la sangre. Las personas con diabetes tipo 1 tienen una mutación en el gen que normalmente codifica para la insulina. Sin insulina, su glucosa en sangre sube a niveles nocivamente altos. En la actualidad, el único tratamiento para la diabetes tipo 1 es la inyección de insulina de fuentes externas. Hasta hace poco, no había forma conocida de producir insulina humana fuera del cuerpo humano. El problema se resolvió mediante la clonación de genes. El gen de la insulina humana fue clonado y utilizado para transformar células bacterianas, que luego podrían producir grandes cantidades de insulina humana.

Aplicaciones en Agricultura

La biotecnología se ha utilizado para crear cultivos transgénicos. Los cultivos transgénicos se modifican genéticamente con nuevos genes que codifican rasgos útiles para los humanos. Los cultivos transgénicos se han creado con una variedad de características diferentes, como producir más alimentos, mejor sabor, sobrevivir a la sequía, tolerar suelos salados y resistir plagas de insectos. Los científicos incluso han creado un tomate púrpura transgénico (Figura\(\PageIndex{5}\)) que contiene altos niveles de compuestos que combaten el cáncer llamados antioxidantes.

Figura\(\PageIndex{5}\): Tomates morados transgénicos: Los tomates morados se modifican genéticamente para contener altos niveles de antioxidantes. Un gen para el compuesto se transfirió a una planta de tomate rojo normal.

Cuestiones éticas, legales y sociales

El uso de la biotecnología ha planteado una serie de cuestiones éticas, legales y sociales. Éstos son solo algunos:

• ¿Quién es el dueño de organismos genéticamente modificados como las bacterias? ¿Se pueden patentar tales organismos como invenciones?
• ¿Los alimentos genéticamente modificados son seguros para comer? ¿Podrían tener efectos nocivos desconocidos en las personas que los consumen?
• ¿Los cultivos genéticamente modificados son seguros para el medio ambiente? ¿Podrían dañar otros organismos o incluso ecosistemas enteros?
• ¿Quién controla la información genética de una persona? ¿Qué salvaguardas aseguran que la información se mantenga privada?
• ¿Hasta dónde debemos llegar para asegurar que los niños estén libres de mutaciones? ¿Se debe terminar un embarazo si el feto tiene una mutación por un trastorno genético grave?
• ¿Podemos desarrollar especies de cultivos que proporcionen más nutrientes y crezcan en climas más duros? Si es así, ¿cómo garantizamos que los agricultores de las zonas empobrecidas tengan acceso a estos?
• ¿Cómo educamos al público para que pueda tomar decisiones bien informadas sobre las nuevas tecnologías?

Como sociedad, necesitaremos equilibrar los beneficios y preocupaciones de las nuevas tecnologías.

Característica: Fuentes confiables

Los alimentos genéticamente modificados, o alimentos transgénicos, son alimentos producidos a partir de organismos genéticamente modificados. Se trata de organismos que han tenido cambios introducidos en su ADN utilizando métodos de biotecnología. La venta comercial de alimentos transgénicos comenzó en 1994, con un jitomate que tenía maduración tardía. Para 2015, tres cultivos principales cultivados en Estados Unidos se cultivaron principalmente a partir de semillas transgénicas, incluyendo maíz de campo, soja y algodón. Muchos otros cultivos también se cultivaron a partir de semillas transgénicas, que van desde una variedad de vegetales hasta remolachas azucareras. Otras fuentes de alimentos transgénicos en nuestra dieta incluyen carnes, huevos y productos lácteos de animales que han comido alimentos GM, así como una gran cantidad de productos alimenticios que contienen alguna forma de soja o productos de maíz, como el aceite de soja, harina de soja, aceite de maíz, almidón de maíz y jarabe de maíz. Un rápido vistazo a la lista de ingredientes de la mayoría de los alimentos procesados muestra que estos productos se agregan a muchos de los artículos de una dieta típica estadounidense.

La mayoría de los científicos piensan que los alimentos transgénicos no son más riesgosos para la salud humana que los alimentos convencionales. Sin embargo, en muchos países, incluyendo Estados Unidos, los alimentos transgénicos reciben evaluaciones más rigurosas que los alimentos convencionales. Por ejemplo, se evalúa la toxicidad de los alimentos GM, la capacidad de causar reacciones alérgicas y la estabilidad de los genes insertados. Los cultivos transgénicos también son evaluados por posibles efectos ambientales, como el cruzamiento, que es la migración de genes de plantas transgénicas a cultivos convencionales o especies de plantas silvestres.

A pesar de las medidas adicionales utilizadas para evaluar los alimentos transgénicos, existe mucha preocupación pública sobre ellos, incluyendo si son seguros para la salud humana, cómo se etiquetan y sus impactos ambientales. Estas preocupaciones se basan en una serie de factores, como la preocupante creencia de que los científicos están creando especies completamente nuevas y una percepción de falta de beneficios para el consumidor de alimentos transgénicos. Las personas también pueden dudar de la validez de las evaluaciones de riesgo, especialmente con respecto a los efectos a largo plazo Además, dado que toda la investigación sobre seguridad y utilidad se presenta en revistas científicas, puede ser difícil que el público esté plenamente informado sobre el trabajo que se está realizando.

En los últimos 50 años, ha habido muchos cientos de estudios que analizan cómo estos cultivos afectan el medio ambiente, la economía y la salud de humanos y animales. Los resultados de la mayoría de estos estudios son bastante claros. Pero, la mayoría de la gente no lee los hallazgos originales porque hay demasiados y porque pueden ser difíciles de entender. La Academia Nacional de Ciencias ha redactado un informe en el que se resumen los resultados de la investigación así como los comentarios públicos.

Explican el motivo por el que se redactó el informe: “Los consumidores en Estados Unidos y en el extranjero obtienen información contradictoria sobre los cultivos transgénicos. Los defensores promocionan los beneficios mientras que los oponentes enfatizan los riesgos. Se necesitaba un estudio independiente y objetivo para examinar lo que se había aprendido sobre los cultivos transgénicos, evaluar si las preocupaciones y promesas iniciales se cumplieron desde su introducción, e investigue nuevas preocupaciones y afirmaciones recientes”.

Revisar

1. D efine biotecnología.
2. ¿Qué es el ADN recombinante?
3. Identificar los pasos de la clonación de genes.
4. ¿Cuál es el propósito de la reacción en cadena de la polimerasa?
5. Hacer un diagrama de flujo delineando los pasos involucrados en la creación de un cultivo transgénico.
6. Explique cómo las bacterias pueden ser modificadas genéticamente para producir una proteína humana.
7. Identificar una cuestión ética, jurídica o social planteada por la biotecnología. Exponga su punto de vista sobre el tema y desarrolle un argumento lógico que apoye su punto de vista.
8. Explicar qué son los cebadores y qué hacen en PCR.
9. ¿Qué es la electroforesis en gel?
10. Verdadero o Falso. Los cultivos transgénicos se pueden crear usando ADN recombinante.
11. Verdadero o Falso. La clonación génica se define como la creación de una copia idéntica de un organismo completo.
12. La enzima Taq polimerasa se identificó originalmente a partir de bacterias que viven en ambientes muy calurosos, como las aguas termales. ¿Por qué este hecho hace que la polimerasa Taq sea particularmente útil en las reacciones de PCR?
13. Una pieza circular de ADN de bacterias que a menudo se usa para crear ADN recombinante se llama ________ _.
14. ¿De qué manera se modifican genéticamente los cultivos? ¿Qué rasgos se introducen y qué métodos se utilizan para introducirlos?
15. ¿Cuáles son las principales preguntas de seguridad humana sobre los alimentos transgénicos? ¿Cómo se evalúa la inocuidad humana de los alimentos transgénicos?
16. ¿Cuáles son las principales preocupaciones ambientales sobre los cultivos transgénicos? ¿Cómo se realiza una evaluación de riesgos para el medio ambiente?
17. ¿Cuáles son los principales pros y contras de los cultivos transgénicos y los alimentos? ¿Quién se ve más afectado por estos pros y contras? Por ejemplo, para los profesionales, ¿los productores y comercializadores reciben la mayoría de los beneficios, o los consumidores también cosechan recompensas?
18. ¿Cuál de los siguientes es un posible uso de la biotecnología, ahora o en el futuro?
    1. Curación de trastornos genéticos
    2. Creando cultivos transgénicos resistentes a plagas
    3. Producir proteínas humanas en células no humanas
    4. Todo lo anterior
19. Se dice que las bacterias que contienen un plásmido recombinante son:
    1. Transformado
    2. Traducido
    3. Transcrito
    4. Un cultivo transgénico

Explora más

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Atribuciones

1. Patatas transgénicas por CSIRO con licencia CC BY 3.0 vía Wikimedia Commons
2. Clonación Molecular por OpenStax, licencia CC BY 3.0 vía Wikimedia Commons
3. PCR por Enzoklop, CC BY-SA 3.0 vía Wikimedia Commons
4. Electroforesis en gel por Jennifer0328, CC BY-SA 4.0 vía Wikimedia Commons
5. Tomates, liberados al dominio público vía Wikimedia Commons
6. Texto adaptado de Biología Humana por CK-12 licenciado CC BY-NC 3.0